От путешествий по песчаным дюнам в пустыне Сахара до наблюдения за белыми медведями в Арктике – группа ученых-солнечников, известная как «Шерпы солнечного ветра» во главе с Шадией Хаббал, отправилась на край Земли, чтобы с научной точки зрения наблюдать полные солнечные затмения – мимолетные моменты, когда Луна полностью закрывает Солнце, временно превращая день в ночь. С помощью изображений они обнаружили удивительную находку о солнечном ветре и его тонкой внешней атмосфере – короне, которая полностью видна только во время затмения.
Из более чем десятилетних наблюдений за полным затмением, проведенных по всему миру, команда заметила, что корона поддерживает довольно постоянную температуру, несмотря на динамические изменения в регионе, которые происходят во время 11-летнего вращения, известного как солнечный цикл. Точно так же солнечный ветер – устойчивый поток частиц, которые Солнце выпускает из короны через всю солнечную систему, – соответствует той же температуре.
«Температура у источников солнечного ветра в короне почти постоянна в течение всего солнечного цикла, – сказала Шадиа Хаббал, исследователь Солнца из Гавайского университета, руководившая исследованием. – Это открытие является неожиданным, потому что корональные структуры вызваны изменениями в распределении намагниченной плазмы в короне, которые так сильно меняются в течение 11-летнего магнитного солнечного цикла».
Новые результаты, опубликованные в Astrophysical Journal Letters, помогают ученым лучше понять солнечный ветер, который является ключевым компонентом космической погоды, который может влиять на электронное оборудование и деятельность астронавтов в космосе. Результаты также могут помочь ученым понять давнюю загадку Солнца: как корона становится более чем на миллион градусов горячее, чем нижние слои атмосферы.
Специальные фильтры позволяют ученым измерять различные температуры в короне во время полных солнечных затмений, таких как это, наблюдаемое в Митчелле, штат Орегон, 21 августа 2017 года. Красный свет излучается заряженными частицами железа при температуре 1 миллион градусов, а зеленый – те, что при 2 млн. градусов.
Источники: Изображение подготовлено М. Друкмюллером, Habbal et al. 2021 г.
Больше, чем просто красивые картинки
Ученые использовали полные солнечные затмения более века, чтобы больше узнать о нашей Вселенной, включая расшифровку структуры Солнца и взрывных событий , поиск доказательств общей теории относительности и даже открытие нового элемента – гелия . Хотя инструменты, называемые коронографами, могут имитировать затмения, они недостаточно хороши, чтобы получить доступ ко всей протяженности короны, которая проявляется во время полного солнечного затмения. Вместо этого астрономы должны путешествовать в отдаленные регионы Земли, чтобы наблюдать за короной во время затмений, которые происходят примерно каждые 12–18 месяцев и длятся всего несколько минут.
Во время путешествий в Австралию, Ливию, Монголию, Орегон и другие регионы команда собрала 14-летние снимки полного солнечного затмения в высоком разрешении со всего мира. Они запечатлели затмения с помощью камер, оснащенных специальными фильтрами, чтобы помочь им измерить температуру частиц из самой внутренней части короны, источников солнечного ветра.
Крупный план протуберанца (розоватые участки) – самой крутой и сложной магнитной структуры в короне. Выступы напрямую связаны с лежащими выше горячими арками (серыми петлями) в короне. Их динамика управляет переменным солнечным ветром и извержениями, называемыми корональными выбросами массы. Считается, что выступы напрямую связаны с региональными изменениями температуры в короне в течение солнечного цикла, поскольку они увеличиваются с солнечной активностью.
Источники: Habbal et al. 2021 г.
Исследователи использовали свет, излучаемый двумя распространенными типами заряженных частиц железа в короне, чтобы определить температуру материала. Результаты неожиданно показали, что количество более холодных частиц, которых было больше и которые, как было установлено, вносили большую часть материала солнечного ветра, было на удивление постоянным в разное время в течение солнечного цикла. Более разреженный более горячий материал намного больше менялся в зависимости от солнечного цикла, в то время как скорость солнечного ветра варьировалась от 300 до 700 км в секунду.
«Это означает, что все, что нагревает большую часть короны и солнечного ветра, не очень зависит от цикла активности Солнца», – отметил Бенджамин Бо, исследователь Солнца из Гавайского университета, участвовавший в новом исследовании.
Это открытие удивительно, поскольку предполагает, что, хотя большая часть солнечного ветра исходит из источников с примерно постоянной температурой, скорость его может сильно отличаться. «Итак, теперь вопрос в том, какие процессы поддерживают постоянную температуру источников солнечного ветра?» – говорит Хаббал.
Динамическое Солнце
Команда также сравнила данные о затмении с измерениями, полученными от NASA Advanced Composition Explorer, или ACE, космического кораблч, который находится в космосе на расстоянии 1,6 млн. км от Земли в направлении Солнца и также сыграл важную роль в раскрытии свойств динамической составляющей солнечного ветра. Переменные скорости динамического ветра отличались изменчивостью связанных с ними зарядовых состояний железа. Данные космического корабля показали, что скорости частиц, наблюдаемых в переменном солнечном ветре, меняются в зависимости от связанных с ними зарядовых состояний железа. Было обнаружено, что высокотемпературные оболочки вокруг событий, называемых протуберанцами, которые были обнаружены в результате наблюдений за затмениями, ответственны за динамический ветер и периодический выброс корональной массы – большое облако солнечной плазмы и встроенные магнитные поля, выпущенные в космос после солнечного извержения.
Хотя команда не знает, почему источники солнечного ветра имеют одинаковую температуру, они думают, что скорости меняются в зависимости от плотности региона, из которого они возникли, что само по себе определяется лежащим в основе магнитным полем. Быстро летающие частицы приходят из областей с низкой плотностью, а более медленные – из областей с высокой. Вероятно, это связано с тем, что энергия распределяется между всеми частицами в области. Таким образом, в областях, где меньше частиц, больше энергии для каждой отдельной частицы. Это похоже на разделение праздничного торта – если людей меньше, на каждого торта больше.
Новые результаты позволяют по-новому взглянуть на свойства солнечного ветра, который является ключевым компонентом космической погоды, который может влиять на космические спутники связи и астрономические наблюдательные платформы. Команда планирует продолжить путешествие по земному шару, чтобы наблюдать полные солнечные затмения. Они надеются, что их усилия могут в конечном итоге пролить новый свет на давнюю загадку Солнца: как корона достигает температуры в миллион градусов, что намного горячее, чем поверхность Солнца.
